Текст книги "100 великих чудес техники"

Автоматические межпланетные станции «Вояджер»

В конце 1960-х годов американское Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) решило провести эксперимент «Большой тур», идея которого состояла в следующем.

Обычно космический аппарат может достичь одной планеты. Но иногда, раз в несколько десятилетий, планеты Солнечной системы как бы выстраиваются друг за другом, и траекторию полета удается провести сразу мимо нескольких. Подобная ситуация должна была сложиться в конце 1970-х – начале 1980-х годов, и американцы задались целью осмотреть за один полет все планеты, начиная с Марса. Для этого они решили использовать так называемый гравитационный маневр, когда космический аппарат догоняет планету и та «подтягивает» его, ускоряя и поворачивая. Но на «Большой тур» не хватило средств, пришлось ограничиться планетами-гигантами. Программа «Вояджер» за пять лет разработки и двенадцать лет оперативной работы потребовала девятьсот миллионов долларов.

В августе-сентябре 1977 году стартовали две автоматические межпланетные станции «Вояджер» массой 798 килограммов каждая. Устроены они одинаково.

Наиболее заметная часть «Вояджеров» – чашка остронаправленной антенны диаметром 3,66 метра, с помощью которой обеспечивается связь с Землей. На тыльной стороне антенны находится герметичный отсек для служебных приборов, имеющий форму десятигранной призмы. В нем размещены радиосистемы, аппаратура управления с бортовой электронно-вычислительной машиной, рулевые двигатели, преобразователи электропитания; на трех гранях отсека смонтированы радиаторы системы терморегулирования.

Электроэнергией станцию снабжают три радиоизотопных генератора, смонтированные на одной из трех штанг. Мощность генераторов в начале полета достигала 431 Вт.

Научные приборы находятся на двух других штангах. На одной из них установлено четыре магнитометра, на другой, на поворотной платформе, – две телекамеры с теле– и широкоугольным объективами, спектрометры ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов, детекторы космического излучения, заряженных частиц и многое другое.

Станции когда-нибудь выйдут за пределы Солнечной системы и могут быть обнаружены внеземными цивилизациями. Поэтому на аппаратах установили контейнер с записью обращения Курта Вальдхайма, в то время Генерального секретаря ООН, приветствий на 60 языках, звуков и шумов Земли общей продолжительностью 110 минут и 115 изображений.

«Вояджер-1» стартовал 5 сентября 1977 года. С 10 декабря того же года по 8 сентября следующего он шел через пояс астероидов и 5 марта 1979 года сблизился с Юпитером, 12 ноября 1980 года – с Сатурном.

«Вояджер-2» был запущен раньше – 20 августа 1974 года, но по другой, более «медленной» траектории. Юпитера он достиг 9 июля 1979 года, а 26 августа 1981 года «Вояджер-2» вслед за своим предшественником пронесся на расстоянии 101 тысяча километров от Сатурна. Приборы станции позволили прояснить характер некоторых явлений, впервые обнаруженных «Вояджером-1» и «Пионером-11». Так, разрешение на снимках колец Сатурна удалось довести до 10 километров (вместо 70 километров при первой встрече), и выявились тончайшие структуры, из которых сотканы кольца. В день максимального сближения «Вояджер-2» сфотографировал Узловатое и Эксцентричное кольцо «Ф». Снимки с разрешением в считанные километры выявили 4 компонента, составляющие кольцо. Можно было различить пряди, переплетенные в разных местах, а в других – вытягивающиеся параллельно. Через определенные промежутки в несколько тысяч километров обнаружены сгущения и узлы.

«Вояджер-2» дал дополнительную информацию и о спутниках Сатурна. Станция прошла Титан, Рею и Тефию. В районе орбит Реи и Дионы он открыл плазменный тороид, раскаленный до самой высокой температуры, наблюдавшейся где-либо в Солнечной системе. Плазма оказалась в триста раз горячее, чем солнечная корона, и в два раза горячее, чем окружение Юпитера.

Успешно встретившись с Сатурном, станции выполнили «программу-минимум» проекта «Вояджер». Первый аппарат после пролета Сатурна «взвился» над плоскостью эклиптики, и ему больше не суждено было встретить на своем пути планет. Зато «Вояджер-2» полем тяготения Сатурна был отклонен на траекторию, позволяющую достичь Урана и Нептуна. «Активисты» программы готовы были преодолеть все финансовые и технические проблемы ради осуществления идеи проекта «Большой Тур». Официально «бросок» к Урану был одобрен НАСА в январе 1981 года.

В декабре 1985 года возникли трудности с навигацией, заставившие заново вычислить массу надвигавшегося на станцию Урана, чтобы расчетная траектория стала вновь совпадать с реальной.

30 декабря станция обнаружила неизвестный ранее спутник Урана, находящийся между орбитой Миранды и внешней границей колец. До момента максимального сближения с Уралом было открыто 10 новых спутников. Их диаметры составляли 40–80 километров, за исключением первого, 160-километрового спутника.

14 января 1986 года, когда «Вояджер» находился на расстоянии 12,9 миллионов километров от цели, в течение четырех часов была сделана серия снимков диска Урана, на которых впервые в истории исследований планеты были замечены детали атмосферы – серповидное облако блестело вблизи лимба планеты.

17 января камера с длиннофокусным объективом с расстояния 9,1 миллионов километров показала гигантскую планету, которая выглядела зелено-голубым шаром.

Пройдя Уран, станция благополучно «вырулила» на траекторию полета к Нептуну, и теперь мало кто сомневался в предстоящем успехе. Оценивая состояние станции, специалисты вносили коррективы в детали предстоящего рандеву. В первый числах декабря 1986 года НАСА объявило, что трасса «Вояджер» будет проложена дальше, чем предполагалось, от Нептуна и соответственно от его спутника Тритона. Опасность радиационных поясов, осколков неизвестных размеров, составляющих кольца, магнитных полей и другие подобные неприятности заставили отодвинуть предполагаемую точку пролета Нептуна на расстояние 29200 километров, а Тритона – на 40000 километров. С этой целью на 13 марта 1987 года была назначена коррекция траектории.

В течение 1987 года на «Вояджере» в очередной раз было заменено программное обеспечение бортовых компьютеров с расчетом на еще более пониженную освещенность и продленное время экспозиции при фотографировании. Специальные меры были приняты для повышения стабильности поворотной платформы с научными приборами. Решено было еще замедлить движение платформы для предотвращения смазывания изображений. Как и перед встречей с Ураном, опробование нового режима работы прошло на «Вояджере-1».

Диаметр главных антенн станции дальней космической связи НАСА был увеличен с 64 до 70 метров. В свою очередь, в единый комплекс со станциями слежения НАСА были объединены антенны Национального научного фонда США, австралийские и японские радиотелескопы.

С января 1989 год, находясь на расстоянии 310 миллионов километров от цели, «Вояджер-2» начал съемку Нептуна. В отличие от безликого диска Урана на снимках Нептуна с разрешением всего около шести тысяч километров уже были различимы облачные образования. 3 апреля 1989 года камеры станции выявили структуру в атмосфере Нептуна такой же формы и относительных размеров, как и Большое Красное Пятно Юпитера. Проведя повторный анализ снимков, ученые убедились, что признаки этого атмосферного явления присутствуют на фотографиях как минимум с 23 января 1989 года. Впоследствии оно получило наименование Большого Темного Пятна.

5 июня, одновременно с началом калибровки аппаратуры, «Вояджер» приступил к специальному сеансу съемки, в ходе которого изображение диска планеты передавалось через каждую пятую часть оборота вокруг ее оси. В середине июня на Землю были переданы фотографии, на которых был выявлен первый неизвестный спутник Нептуна, получивший временное наименование в 1989 году. В начале августа было объявлено уже об открытии четырех новых спутников. Все они были зафиксированы на фотографии, сделанной 30 июля. Новые спутники представляли собой темные бесформенные глыбы размером от 50 до 400 километров. Затем было открыто еще два спутника диаметром 50 и 90 километров. 6 августа начались исследования теплового баланса Нептуна и съемка диска планеты с высоким разрешением.

Следующие открытия были связаны с кольцами Нептуна. Снимки станции, полученные более чем за неделю до максимального сближения с планетой, первоначально подтвердили существование незамкнутых дуг вокруг Нептуна. Однако чем ближе станция оказывалась к цели, тем полнее вырисовывались на снимках нити дуг, в итоге превратившиеся в кольца разной плотности на разных участках. Всего было выявлено четыре кольца Нептуна.

Ночью 24 августа, огибая северный полюс Нептуна, «Вояджер-2» прошел на минимальном расстоянии от планеты – 4895 километров от верхней границы облачного слоя. Всего двумя часами ранее станция сделала лучшие фотографии атмосферы Нептуна.

Через 4 часа 15 минут после встречи с Нептуном «Вояджер-2» под действием поля тяготения планеты оказался на расстоянии 38600 километров от Тритона – наибольшего спутника Нептуна. Перед глазами землян возник неведомый мир хребтов и разломов, заполненных льдообразной вязкой лавой, котловин и озер жидкой грязи. Диаметр спутника оказался 2730 километров. 9 октября было объявлено об открытии на Тритоне действующего гейзера. На изображении, полученном 24 августа с расстояния 99920 километров, был выявлен выброс темного вещества, взметнувшегося на высоту восемь километров. Вещество, по предположению ученых, представляло собой азот с примесями органических молекул, придающих ему темную окраску.

Данные «Вояджера» позволили уточнить диаметр другого известного спутника Нептуна – Нереиды. Ее диаметр составил 340 километров.

В ходе встречи с Нептуном «Вояджер-2» работал почти на пределе своих возможностей. Всего было выполнено около 80 различных маневров, в том числе 9 плавных разворотов платформы с научными приборами. Продолжительность экспозиции при съемках достигала десяти минут, при этом всякий раз удавалось избежать смазывания изображения.

После пролета семейства Нептуна станция «нырнула» под плоскость эклиптики и под углом пятьдесят градусов стала удаляться из Солнечной системы в направлении звезды Росс 248, которой он, видимо, достигнет в 42000 году. Планетная часть миссии «Вояджеров» закончилась, и их системы получения изображений после заключительной серии фотографировании были выключены. Тем не менее ресурсы электросистем обеих «Вояджеров» позволят в течение довольно длительного времени передавать научную информацию о состоянии теперь уже межзведной среды.

За это время на Земле принято более ста тысяч изображений и другой информации обо всех планетах-гигантах и их окружении.

Научная информация, полученная «Вояджерами», была доступна не только ученым всего мира, но и всей международной общественности. Снимки планет, сделанные станциями, обошли обложки массовых журналов, познакомив человечество с самыми отдаленными уголками Солнечной системы.

Космический корабль многоразового использования «Шаттл»

Пока космические запуски были редкими, вопрос о стоимости ракет-носителей особого внимания к себе не привлекал. Но по мере освоения космоса он стал приобретать все большее значение. Стоимость ракеты-носителя в общей стоимости запуска космического аппарата бывает разная. Если носитель серийный, а космический аппарат, который он запускает, уникальный, стоимость носителя – около 10 процентов от общей стоимости запуска. Если космический аппарат серийный, а носитель уникальный – до 40 процентов и более. Высокая стоимость космической транспортировки объясняется тем, что ракета-носитель применяется один-единственный раз. Спутники и космические станции работают на орбите или в межпланетном пространстве, принося определенный научный или хозяйственный результат, а ступени ракеты, имеющие сложную конструкцию и дорогое оборудование, сгорают в плотных слоях атмосферы. Естественно, возник вопрос о снижении стоимости космических запусков за счет повторного запуска ракет-носителей.

Существует много проектов таких систем. Один из них – космический самолет. Это крылатая машина, которая, подобно воздушному лайнеру, взлетала бы с космодрома и, доставив полезный груз на орбиту (спутник или космический корабль), возвращалась бы на Землю. Но создать такой самолет пока невозможно, главным образом из-за необходимого соотношения масс полезного груза и полной массы машины. Экономически невыгодными или трудноосуществимыми оказывались и многие другие схемы летательных аппаратов многоразового использования.

Тем не менее в США все-таки взяли курс на создание космического корабля многоразового использования. Многие специалисты были против столь дорогостоящего проекта. Но его поддержал Пентагон.

Разработка системы «Спейс Шаттл» («космический челнок») началась в США в 1972 году. В ее основу была положена концепция космического летательного аппарата многоразового использования, предназначенного для вывода на околоземные орбиты искусственных спутников и других объектов. Космический летательный аппарат «Шаттл» представляет собой связку из пилотируемой орбитальной ступени, двух твердотопливных ракетных ускорителей и большого топливного бака, расположенного между этими ускорителями.

Стартует «Шаттл» вертикально с помощью двух твердотопливных ускорителей (диаметр каждого 3,7 метра), а также жидкостных ракетных двигателей орбитальной ступени, которые питаются топливом (жидкий водород и жидкий кислород) от большого топливного бака. Твердотопливные ускорители работают только на начальном участке траектории. Время их работы чуть больше двух минут. На высоте 70–90 километров ускорители отделяются, спускаются на парашютах на воду, в океан, и буксируются к берегу, с тем чтобы после восстановительного ремонта и зарядки топливом использовать их вновь. При выходе на орбиту топливный бак (диаметром 8,5 метра и длиной 47 метров) сбрасывается и сгорает в плотных слоях атмосферы.

Самый сложный элемент комплекса – орбитальная ступень. Она напоминает ракетный самолет с треугольным крылом. Помимо двигателей, в ней размещены кабина экипажа и грузовой отсек. Орбитальная ступень осуществляет сход с орбиты как обычный космический аппарат и производит посадку без тяги, только за счет подъемной силы стреловидного крыла малого удлинения. Крыло позволяет орбитальной ступени совершать некоторый маневр как по дальности, так и по курсу и в конечной счете производить посадку на специальную бетонную полосу. Посадочная скорость ступени при этом намного выше, чем у любого истребителя, – около 350 километров в час. Корпус орбитальной ступени должен выдерживать температуру 1600 градусов Цельсия. Теплозащитное покрытие состоит из 30922 силикатных плиток, приклеенных к фюзеляжу и плотно подогнанных друг к другу.

Космический летательный аппарат «Шаттл» – своего рода компромисс и в техническом, и в экономическом отношении. Максимальный полезный груз, доставляемый «Шаттлом» на орбиту, – от 14,5 до 29,5 тонны, а его стартовая масса – 2000 тонн, то есть полезная нагрузка составляет всего 0,8–1,5 процента от полной массы заправленного корабля. В то же время этот показатель для обычной ракеты при том же полезном грузе составляет 2–4 процента. Если же взять в качестве показателя отношение полезного груза к весу конструкции, без учета топлива, то преимущество в пользу обычной ракеты еще более возрастет. Такова плата за возможность хотя бы частично использовать повторно конструкции космического аппарата.

Один из создателей космических кораблей и станций, летчик-космонавт СССР, профессор К.П. Феоктистов, так оценивает экономическую эффективность «Шаттлов»: «Что и говорить, создать экономичную транспортную систему непросто. Некоторых специалистов в идее «Шаттла» смущает еще и следующее. Согласно экономическим расчетам он оправдывает себя примерно при 40 полетах в год на один образец. Получается, что в год только один "самолет", чтобы оправдать свою постройку, должен выводить на орбиту порядка тысячи тонн разных грузов. С другой стороны, имеет место тенденция к снижению веса космических аппаратов, увеличению продолжительности их активной жизни на орбите и вообще к снижению количества запускаемых аппаратов за счет решения каждым из них комплекса задач».

С точки зрения эффективности создание транспортного корабля многоразового использования такой большой грузоподъемности дело преждевременное. Снабжать орбитальные станции гораздо выгоднее с помощью автоматических транспортных кораблей типа «Прогресс» Сегодня стоимость одного килограмма груза, выводимого в космос «Шаттлом» составляет 25000 долларов, а «Протоном» – 5000 долларов.

Без прямой поддержки Пентагона проект вряд ли удалось бы довести до стадии полетных экспериментов. В самом начале проекта при штабе ВВС США был учрежден комитет по использованию корабля «Шаттл». Было принято решение о строительстве стартовой площадки для челночного корабля на базе ВВС Ванденберг в Калифорнии, с которой осуществляются запуски космических аппаратов военного назначения. Военные заказчики планировали использовать «Шаттл» для выполнения широкой программы размещения в космосе разведывательных спутников, систем радиолокационного обнаружения и наведения на цель боевых ракет, для пилотируемых разведывательных полетов, создания космических командных постов, орбитальных платформ с лазерным оружием, для «инспекции» на орбите чужих космических объектов и доставки их на Землю. Корабль «Шаттл» также рассматривался как одно из ключевых звеньев общей программы создания космического лазерного оружия.

Так, уже в первом полете экипаж корабля «Колумбия» выполнял задание военного характера, связанное с проверкой надежности прицельного устройства для лазерного оружия. Размещенный на орбите лазер должен точно наводиться на ракеты, удаленные от него на сотни и тысячи километров.

С начала 1980-х годов ВВС США готовили ряд несекретных экспериментов на полярной орбите с целью разработки перспективной аппаратуры для слежения за объектами, движущимися в воздушном и безвоздушном пространстве.

Катастрофа «Челленджера» 28 января 1986 года внесла коррективы в дальнейшее развитие космических программ США. «Челленджер» ушел в свой последний полет, парализовав всю американскую космическую программу. Пока «Шаттлы» стояли на приколе, сотрудничество НАСА с министерством обороны оказалось под вопросом. ВВС фактически распустили свою группу астронавтов. Переменился и состав военно-научной миссии, получившей наименование СТС-39 и перенесенной на мыс Канаверал.

Сроки следующего полета неоднократно отодвигались. Программа возобновилась только в 1990 году. С той поры «Шаттлы» регулярно совершали космические полеты. Они участвовали в ремонте телескопа «Хаббл», полетах на станцию «Мир», строительстве МКС.

Ко времени возобновления полетов «Шаттлов» в СССР уже был готов корабль многоразового использования, во многом превзошедший американский. 15 ноября 1988 года новая ракета-носитель «Энергия» вывела на околоземную орбиту многоразовый корабль «Буран». Он, совершив два витка вокруг Земли, ведомый чудо-автоматами, красиво приземлился на бетонную посадочную полосу Байконура, будто рейсовый лайнер «Аэрофлота».

Ракета-носитель «Энергия» – базовая ракета целой системы ракет-носителей, образуемых сочетанием разного количества унифицированных модульных ступеней и способных выводить в космос аппараты массой от 10 до сотен тонн! Ее основу, стержень, составляет вторая ступень. Ее высота – 60 метров, диаметр – около 8 метров. На ней установлено четыре жидкостных ракетных двигателя, работающих на водороде (горючее) и кислороде (окислитель). Тяга каждого такого двигателя у поверхности Земли – 1480 кН. Вокруг второй ступени у ее основания пристыкованы попарно четыре блока, образующие первую ступень ракеты-носителя. На каждом блоке установлен самый мощный в мире четырехкамерный двигатель РД-170 тягой в 7400 кН у Земли.

«Пакет» блоков первой и второй ступеней и образует мощную, тяжелую ракету-носитель, имеющую стартовую массу до 2400 тонн, несущую полезную нагрузку 100 тонн. Общая тяга ее двигателей в начале полета достигает 36000 кН.

«Буран» имеет большое внешнее сходство с американским «Шаттлом». Корабль построен по схеме самолета типа «бесхвостка» с треугольным крылом переменной стреловидности, имеет аэродинамические органы управления, работающие при посадке после возвращения в плотные слои атмосферы – руль направления и элевоны. Он был способен совершать управляемый спуск в атмосфере с боковым маневром до 2000 километров.

Длина «Бурана» – 36,4 метра, размах крыла – около 24 метра, высота корабля на шасси – более 16 метров. Стартовая масса корабля – более 100 тонн, из которых 14 тонн приходится на топливо. В носовой отсек вставлена герметичная цельносварная кабина для экипажа и большей части аппаратуры для обеспечения полета в составе ракетно-космического комплекса, автономного полета на орбите, спуска и посадки. Объем кабины – более 70 кубических метров.

При возвращении в плотные слои атмосферы наиболее теплонапряженные участки поверхности корабля раскаляются до 1600 градусов, тепло же, доходящее непосредственно до металлической конструкции корабля, не должно превышать 150 градусов. Поэтому «Буран» отличала мощная тепловая защита, обеспечивающая нормальные температурные условия для конструкции корабля при прохождении плотных слоев атмосферы во время посадки.

Теплозащитное покрытие из более 38 тысяч плиток изготовлено из специальных материалов: кварцевое волокно, высокотемпературные органические волокна, частично материал на основе углерода. Керамическая броня обладает способностью аккумулировать тепло, не пропуская его к корпусу корабля. Общая масса этой брони составила около 9 тонн.

Длина грузового отсека «Бурана» – около 18 метров. В его обширном грузовом отсеке мог разместиться полезный груз массой до 30 тонн. Туда можно было поместить крупногабаритные космические аппараты – большие спутники, блоки орбитальных станций. Посадочная масса корабля – 82 тонны.

«Буран» оснастили всеми необходимыми системами и оборудованием как для автоматического, так и для пилотируемого полета. Это и средства навигации и управления, и радиотехнические и телевизионные системы, и автоматические устройства регулирования теплового режима, и система жизнеобеспечения экипажа, и многое-многое другое.

Основная двигательная установка, две группы двигателей для маневрирования расположены в конце хвостового отсека и в передней части корпуса.

«Буран» явился ответом американской военной космической программе. Потому после потепления отношений с США судьба корабля была предрешена.